高樁碼頭水上施工平臺(tái)的選型與設(shè)計(jì)

吳壯，張永嶺

（1.上海交通建設(shè)總承包有限公司，上海 200136；2.上海交通建設(shè)總承包有限公司，上海 200136）

1 某碼頭旋噴樁工程概況

某碼頭泊位工程建設(shè)規(guī)模為建設(shè)10000 噸級液體化工品泊位4個(gè)，5000 噸級液體化工品泊位2個(gè)，設(shè)計(jì)年吞吐量為360萬噸。碼頭總長1019m，泊位沿岸線呈“一”字形布置，自西向東依次布置2個(gè)5000噸級泊位（1#、2#）、4個(gè)10000噸級泊位（3#～6#）。碼頭采用離岸式布置，碼頭平臺(tái)為連片式，與后方陸域通過引橋連接。碼頭前沿線與護(hù)岸前沿線距離65m。碼頭面頂高程4.5m。碼頭主體結(jié)構(gòu)為高樁梁板結(jié)構(gòu)，樁基礎(chǔ)為Φ1200預(yù)應(yīng)力混凝土大管樁，碼頭共114個(gè)結(jié)構(gòu)排架，排架軸線間距9m，結(jié)構(gòu)段處排架軸線間距5m。設(shè)計(jì)單位選用高壓旋噴樁作為碼頭基礎(chǔ)土體加固方式。本工程高壓旋噴樁布置主要范圍位為：碼頭長度（1019m）加?xùn)|側(cè)外36m加西側(cè)外30m，共1085m長；碼頭面下18m寬。縱向分7排；橫向分5段。旋噴樁采用縱向橫向臺(tái)階式布置，旋噴樁單根樁直徑Φ800，間距600mm，共21550根，51245m。具體樁位布置及結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

2 高壓旋噴樁施工工況

2.1 旋噴樁施工工序安排

按照整個(gè)結(jié)構(gòu)的施工工序流程，本工程基礎(chǔ)土體加固高壓旋噴樁應(yīng)在碼頭結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力混凝土大管樁沉樁結(jié)束后展開，在完成高壓旋噴樁施工之后才能展開現(xiàn)澆樁帽及后續(xù)上部結(jié)構(gòu)施工。

2.2 旋噴樁施工客觀環(huán)境條件

本工程碼頭主體結(jié)構(gòu)寬度18m，前沿線距離后方陸域擋墻65m。碼頭結(jié)構(gòu)區(qū)原泥面標(biāo)高約為-1.40m，土質(zhì)為粉土。預(yù)應(yīng)力混凝土大管樁的沉樁設(shè)計(jì)頂標(biāo)高為+2.00m，每個(gè)排架有4～6根大管樁，每個(gè)排架現(xiàn)澆樁帽3只。工程所在海域的設(shè)計(jì)高水位為+1.86m，設(shè)計(jì)低水位為+0.08m。

工程沉樁施工時(shí)段為6月至9月，高壓旋噴樁施工從7月開始，工程所在海域受東北風(fēng)影響較大，而根據(jù)當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境資料，9、10月以東北風(fēng)為主。

2.3 旋噴樁施工平臺(tái)設(shè)計(jì)選型的重要性

（1）影響施工質(zhì)量。旋噴樁施工平臺(tái)首先就是能夠?yàn)楦邏盒龂姌妒┕ぬ峁┓€(wěn)定可靠的作業(yè)面，確保旋噴樁施工能夠保質(zhì)保量地完成。因此，在施工平臺(tái)方案制定時(shí)，需要充分考慮當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件的制約情況以及平臺(tái)搭設(shè)與施工荷載等不同工況條件下的平臺(tái)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定情況。

（2）影響施工進(jìn)度。前面已經(jīng)提到，旋噴樁施工平臺(tái)的搭設(shè)與拆除在一定程度上增加了旋噴樁施工工序與其緊前緊后工序的銜接難度，換言之，就是旋噴樁施工平臺(tái)搭設(shè)與拆除的難易程度，將直接決定旋噴樁的施工展布效率以及緊后工序的施工進(jìn)度安排。合理的平臺(tái)搭設(shè)方案應(yīng)該是可以兼顧到旋噴樁施工進(jìn)度以及相鄰工序的有效銜接的，這樣才能最大限度地減小平臺(tái)搭設(shè)對整體施工進(jìn)度的影響。

（3）影響施工成本。不同的施工平臺(tái)搭設(shè)方案，投入的設(shè)備、材料與人工情況也不盡相同，這就直接形成了施工平臺(tái)搭設(shè)的成本差異，在條件可行的情況下，我們需要選擇綜合成本較低的平臺(tái)搭設(shè)方案，這樣才有利于整體工程的成本管控。

3 旋噴樁平臺(tái)設(shè)計(jì)比選

3.1 比選評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

3.1.1 可靠性

高壓旋噴樁施工選用能達(dá)到成樁技術(shù)要求，且外型尺寸較小的小型旋噴樁機(jī)。施工區(qū)受風(fēng)浪等客觀環(huán)境影響較大，擬建碼頭標(biāo)高較低，施工階段受潮位、風(fēng)浪的因素影響明顯，故需要保證在整個(gè)旋噴樁施工階段，除了平臺(tái)自身需要具備足夠的穩(wěn)定性以外，還需要為旋噴樁施工提供可靠的施工環(huán)境。

3.1.2 施工效率

這里所提出的施工效率，包括多個(gè)方面：（1）旋噴樁平臺(tái)自身搭設(shè)與拆除的效率；

（2）平臺(tái)搭設(shè)對高壓旋噴樁施工效率的影響；

（3）平臺(tái)拆除對現(xiàn)澆樁帽施工效率的影響。

妥當(dāng)?shù)男龂姌镀脚_(tái)搭設(shè)方案應(yīng)該從施工效率上盡可能地達(dá)到以下兩點(diǎn)：

（1）在沉樁施工結(jié)束后，能高效地完成平臺(tái)搭設(shè)，形成旋噴樁作業(yè)面，且搭設(shè)的平臺(tái)應(yīng)滿足旋噴樁的連續(xù)施工作業(yè)；

（2）在旋噴樁施工結(jié)束后，能迅速地實(shí)現(xiàn)平臺(tái)拆除，騰出現(xiàn)澆樁帽作業(yè)面，避免現(xiàn)澆樁帽工序的施工等待。

3.1.3 平臺(tái)搭設(shè)成本

在平臺(tái)滿足可靠性與施工效率的前提下，還應(yīng)綜合分析平臺(tái)搭設(shè)與拆除的綜合成本，因?yàn)槌杀究刂茟?yīng)體現(xiàn)在工程施工的每一個(gè)環(huán)節(jié)中。

3.2 平臺(tái)方案擬定

參考以往工程經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合工程實(shí)際情況綜合分析考慮，我們初步擬定了4種具備基本可行的旋噴樁平臺(tái)搭設(shè)方案：①常規(guī)腳手架平臺(tái)搭設(shè)方案；②槽鋼框架平臺(tái)搭設(shè)方案；③浮體式平臺(tái)搭設(shè)方案；④移動(dòng)式平臺(tái)搭設(shè)方案。

3.3 平臺(tái)方案評估比選

在比選方案初擬完成后我們對各擬定方案在實(shí)際工況環(huán)境下的優(yōu)勢和劣勢進(jìn)行仔細(xì)分析，并用可靠性、施工效率、平臺(tái)搭設(shè)成本等三項(xiàng)比選標(biāo)準(zhǔn)對各個(gè)方案進(jìn)行對比評估，從中選定綜合最優(yōu)的平臺(tái)搭設(shè)方案。初擬方案的施工簡述及評估比選分析情況具體如表1所示。

表1 高壓旋噴樁施工平臺(tái)搭設(shè)方案評估比選分析表

3.4 平臺(tái)方案選定

綜合分析各個(gè)方案的優(yōu)勢與劣勢，同時(shí)采用三項(xiàng)比選標(biāo)準(zhǔn)綜合評估，我們認(rèn)為采用移動(dòng)式平臺(tái)搭設(shè)方案更為妥當(dāng)。

4 選定方案細(xì)化設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

在選定了旋噴樁平臺(tái)搭設(shè)的方案之后，接下來就需要對選定的移動(dòng)式平臺(tái)搭設(shè)方案進(jìn)行細(xì)化設(shè)計(jì)，細(xì)化設(shè)計(jì)時(shí)也制定了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)用以確保最終設(shè)計(jì)的合理性和實(shí)用性。

（1）平臺(tái)自身穩(wěn)定性及剛度。平臺(tái)自身穩(wěn)定性是最基本的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，這也是平臺(tái)搭設(shè)方案首先要解決的問題。穩(wěn)定性解決的是施工基礎(chǔ)可靠性的問題，剛度解決的是保證施工安全和施工質(zhì)量的問題?；谄脚_(tái)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和剛度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，我們需要對平臺(tái)基礎(chǔ)支撐、平臺(tái)結(jié)構(gòu)槽鋼選型、平臺(tái)結(jié)構(gòu)剛度、平臺(tái)起吊吊點(diǎn)設(shè)置等進(jìn)行反復(fù)的力學(xué)驗(yàn)算。

（2）平臺(tái)承載能力。平臺(tái)搭設(shè)完成后，最為重要的使命就是能讓高壓旋噴樁施工設(shè)備能在平臺(tái)上面穩(wěn)定施工和自由移動(dòng)，這就要求我們對平臺(tái)結(jié)構(gòu)的承載能力進(jìn)行細(xì)化設(shè)計(jì)。

（3）施工可行性及高效性。這里所述的施工可行性及高效性主要是指施工平臺(tái)的搭設(shè)對高壓旋噴樁施工的干擾和影響。我們所設(shè)計(jì)的是滿足旋噴樁施工設(shè)備可以穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)施工的水上作業(yè)平臺(tái)，而旋噴樁施工需要完成的是水下高壓旋噴樁墻體結(jié)構(gòu)，因此我們所設(shè)計(jì)的施工平臺(tái)應(yīng)該需要兼具提供水上設(shè)備行動(dòng)平臺(tái)和水下旋噴樁施工空間的功能。

（4）平臺(tái)抗風(fēng)浪能力。由于本工程基礎(chǔ)大管樁樁頂標(biāo)高與設(shè)計(jì)高水位標(biāo)高相差不大，直接利用樁頂標(biāo)高來安放平臺(tái)可能會(huì)使旋噴樁在施工階段受風(fēng)浪影響較為明顯，因此需要采取一定的措施抬高移動(dòng)式平臺(tái)的安放高度，以減小風(fēng)浪環(huán)境對旋噴樁施工的不利影響。

（5）平臺(tái)水上大型吊裝。移動(dòng)式平臺(tái)最明顯的一個(gè)劣勢就是需要大型水上起吊設(shè)備配合完成平臺(tái)的移動(dòng)，這個(gè)問題不僅關(guān)系到平臺(tái)結(jié)構(gòu)吊裝移運(yùn)時(shí)的安全性，還涉及到平臺(tái)搭設(shè)方案的成本問題。

（6）平臺(tái)施工安全性。作為水上施工作業(yè)平臺(tái)，施工階段的安全保證也是平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的，為了確保施工設(shè)

備和作業(yè)人員上下平臺(tái)的安全，防止墮水等危險(xiǎn)狀況的發(fā)生，平臺(tái)結(jié)構(gòu)還需要增加附屬的安全防護(hù)設(shè)施。

4.2 平臺(tái)結(jié)構(gòu)受力計(jì)算

我們在平臺(tái)結(jié)構(gòu)受力計(jì)算時(shí)，對每個(gè)結(jié)構(gòu)層進(jìn)行了最不利荷載分析，并對此工況條件進(jìn)行了力學(xué)模型設(shè)計(jì)、計(jì)算和材料選型及受力核算。

考慮平臺(tái)計(jì)算過程相對簡單，這里以最關(guān)鍵的底層受力主梁結(jié)構(gòu)計(jì)算作為案例進(jìn)行簡要說明。

最不利荷載狀態(tài)選?。菏┕C(jī)具處于主梁中間時(shí)

荷載：自重及均布常荷載q= 6kN/m，施工設(shè)備點(diǎn)荷載F=35kN

力學(xué)計(jì)算結(jié)果分析：

支座反力：F1= F2=76kN最大彎矩Mmax=273.38kN·m擬建平臺(tái)所需的截面抵抗矩

式中，f為允許彎曲應(yīng)力值，也可以理解為安全系數(shù)，取值為f=170N/mm4。

查閱材料特性，取兩組雙拼[32b型槽鋼，Wx=509cm3，Ix=8144cm4。

結(jié)構(gòu)受力最大撓度值

可知選兩組用雙拼[32型槽鋼即可同時(shí)滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度需求，因此選型確定為兩組雙拼[32型槽鋼。

其他結(jié)構(gòu)層受力計(jì)算均參照此計(jì)算形式完成。

4.3 平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成果

我們遵照自己制定的上述設(shè)計(jì)基本標(biāo)準(zhǔn)，通過詳細(xì)的力學(xué)分析和受力計(jì)算，最終設(shè)計(jì)完成了具備綜合實(shí)用效能的移動(dòng)式平臺(tái)結(jié)構(gòu)。

平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)大致可以分為三層：底層受力鋼梁結(jié)構(gòu)、中層均布力鋼梁結(jié)構(gòu)、頂層鋼板網(wǎng)平面結(jié)構(gòu)。

（1）底層受力主梁結(jié)構(gòu)。根據(jù)槽鋼受力和剛度計(jì)算結(jié)果，最終我們選用了4組雙拼[32型槽鋼作為主受力框架結(jié)構(gòu)，同時(shí)采用[25型槽鋼形成支撐框架。我們選用了與碼頭結(jié)構(gòu)排架都一致的前后沿兩排直樁作為平臺(tái)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)支撐點(diǎn)，在每個(gè)支撐點(diǎn)位處均采用尺寸放大為2500mm×2500mm×30mm鋼板作為支撐基礎(chǔ)和平臺(tái)起吊結(jié)構(gòu)，這樣既可以消減樁位偏差對平臺(tái)安裝的影響，也可以為平臺(tái)結(jié)構(gòu)的起吊提供穩(wěn)定的吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)，達(dá)到了安放與起吊的綜合穩(wěn)定要求。

（2）中層均布力次梁結(jié)構(gòu)。中層鋼梁結(jié)構(gòu)的主要作用就是將旋噴樁施工設(shè)備的點(diǎn)荷載通過這一層分解為均布荷載傳遞到基礎(chǔ)受力框架中，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定承載效能。根據(jù)受力計(jì)算，同時(shí)考慮避開旋噴樁施工孔位的鋼梁布置間距，最終我們選用了[25型槽鋼形成均布力鋼梁框架。

（3）頂層鋼板網(wǎng)平面結(jié)構(gòu)。作為頂層形成施工機(jī)械施工平臺(tái)作業(yè)面的結(jié)構(gòu)，我們綜合考慮了平面結(jié)構(gòu)的自身重量、剛度、旋噴樁開孔等因素，最終選用剛度大、自重小的10mm鋼板網(wǎng)作為頂層平面結(jié)構(gòu)。鋼板網(wǎng)按照旋噴樁機(jī)鉆孔孔徑和旋噴樁結(jié)構(gòu)以間距600mm、孔徑150mm完成孔位布置。

4.4 平臺(tái)結(jié)構(gòu)應(yīng)用效果

在實(shí)際施工生產(chǎn)中，我們搭設(shè)了兩個(gè)移動(dòng)式旋噴樁作業(yè)平臺(tái)，每個(gè)平臺(tái)上放置3臺(tái)旋噴樁機(jī)同步施工24小時(shí)作業(yè)，除大風(fēng)等惡劣天氣及夜間平臺(tái)移動(dòng)不便等因素影響外，高壓旋噴樁均保持了較高的施工效率。該分項(xiàng)工程自2015年6月30日開始施工，至2015年10月15日完成全部施工任務(wù)，較原進(jìn)度計(jì)劃提前了大約1個(gè)月時(shí)間。

高壓旋噴樁在整個(gè)周期內(nèi)施工進(jìn)度始終處于追趕大管樁沉樁施工狀態(tài)，同時(shí)施工效率也一直超前于緊后的現(xiàn)澆樁帽關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)工序，沒有因?yàn)槠脚_(tái)結(jié)構(gòu)的原因造成旋噴樁施工進(jìn)度滯后、現(xiàn)澆樁帽施工等待等后果，達(dá)到了匹配工序銜接效能的預(yù)期要求。

從對工期節(jié)點(diǎn)的保證、緊后工序的銜接、平臺(tái)搭設(shè)吊運(yùn)的成本估算等方面綜合考慮，我們認(rèn)為在實(shí)際生產(chǎn)中采用移動(dòng)式的平臺(tái)結(jié)構(gòu)還是經(jīng)濟(jì)合理的。

5 結(jié)束語

高樁碼頭水上施工平臺(tái)的選型與設(shè)計(jì)其實(shí)是結(jié)合實(shí)際工程情況采用創(chuàng)新思想和發(fā)散思維進(jìn)行施工管理的一種管理理念的體現(xiàn)，這種管理理念需要我們認(rèn)真總結(jié)以往的工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，注重自身基礎(chǔ)學(xué)科的掌握運(yùn)用和工程知識的消化和積累。本文借助工程實(shí)際遇到的碼頭基礎(chǔ)高壓旋噴樁施工為切入點(diǎn)，對水上施工平臺(tái)進(jìn)行了選型與設(shè)計(jì)，而在如外海、離岸等工況條件較差的水工項(xiàng)目中，移動(dòng)式鋼平臺(tái)兼具了整體平臺(tái)的穩(wěn)定安全性和船舶平臺(tái)的機(jī)動(dòng)靈活性，能夠良好地適應(yīng)多種復(fù)雜的工況條件。因此，移動(dòng)式鋼平臺(tái)是具有一定的普適性和推廣性。